本申請(qǐng)涉及電化學(xué)儲(chǔ)能電極材料，具體而言，涉及一種多孔電極炭的制備系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

1、基于清潔電化學(xué)儲(chǔ)能機(jī)制的器件，如各種二次電池，超級(jí)電容器，鋰離子電容器或其混合器件，是重要的電儲(chǔ)能系統(tǒng)，近年來得到了長(zhǎng)足的發(fā)展。超級(jí)電容器，鋰離子電容器的正極材料為大比表面積的多孔活性炭。二次電池如鋰離子負(fù)極材料（硅炭負(fù)極）也使用大比表面積的多孔活性炭作為硅顆粒的固定載體，重量大約占硅炭負(fù)極重量的50?%左右。

2、這種多孔活性炭主要由生物質(zhì)或有機(jī)聚合物為前驅(qū)體，經(jīng)過炭化（高溫下脫氫脫氧或其他元素）與活化（造孔）的步驟組成。但目前對(duì)于活化的方法比較成熟，但對(duì)炭化報(bào)道較少。實(shí)際操作時(shí)，有些前驅(qū)體顆粒在高溫下，會(huì)變軟呈現(xiàn)粘性，生成特別大的粘性聚團(tuán)，粒徑與密度都不太可控。不僅如此，還存在粘壁現(xiàn)象，在工程上特別不好操作。最后生成的巨大的炭化后聚團(tuán)或顆粒，還得研磨成小顆粒，再進(jìn)行活化，而炭化后的聚團(tuán)強(qiáng)度又特別大，因此，需要消耗大量的機(jī)械能。

3、由此可見，現(xiàn)有的工藝中存在粒徑不可控、容易形成巨大的炭化聚團(tuán)、粘壁、顆粒流動(dòng)性差以及能耗高的問題。因此，亟需提出一種易操作、能順利炭化與活化，以及節(jié)能的多孔電極炭的制備系統(tǒng)和方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為解決上述問題，本申請(qǐng)?zhí)峁┮环N多孔電極炭的制備系統(tǒng)及方法，將聚合物顆粒和小粒徑熱載體顆粒粘接，形成復(fù)合炭化材料，能夠?qū)崿F(xiàn)順利炭化與活化，且避免形成巨大的炭化聚團(tuán)或顆粒，使顆粒粒徑更可控，在最后步驟再降溫去除熱載體顆粒即可，省略了多次降溫、研磨等操作步驟，實(shí)現(xiàn)工程化操作易控、降低能耗的效果。

2、第一方面，本申請(qǐng)?zhí)峁┮环N多孔電極炭的制備系統(tǒng)，包括依次串聯(lián)連通的炭化流化床、活化流化床和熱載體去除反應(yīng)器；

3、所述炭化流化床的反應(yīng)區(qū)內(nèi)設(shè)置有多孔分布板，所述多孔分布板將所述反應(yīng)區(qū)分隔為第一反應(yīng)區(qū)和第二反應(yīng)區(qū)，所述第一反應(yīng)區(qū)設(shè)置有流化氣體進(jìn)口和復(fù)合炭化材料出口，所述第二反應(yīng)區(qū)設(shè)置有混合原料進(jìn)口和流化尾氣出口；

4、所述炭化流化床外部設(shè)置有溢流管，所述溢流管的一端與所述第一反應(yīng)區(qū)連接、另一端與所述第二反應(yīng)區(qū)連接；

5、所述活化流化床的底部設(shè)置有活化氣體進(jìn)口及活化材料出口；所述活化流化床的上方設(shè)置有復(fù)合炭化材料進(jìn)口及活化尾氣出口；

6、所述熱載體去除反應(yīng)器內(nèi)盛裝有酸或水。

7、可選地，所述第一反應(yīng)區(qū)設(shè)置有第一溫度控制裝置，所述第一溫度控制裝置用于控制所述第一反應(yīng)區(qū)的工作溫度為500?℃-950?℃。

8、可選地，所述第二反應(yīng)區(qū)設(shè)置有第二溫度控制裝置，所述第二溫度控制裝置用于控制所述第二反應(yīng)區(qū)的工作溫度為200?℃-400?℃。

9、可選地，所述活化流化床設(shè)置有第三溫度控制裝置，所述第三溫度控制裝置用于控制所述活化流化床反應(yīng)區(qū)的工作溫度為850?℃-1050?℃。

10、第二方面，本申請(qǐng)?zhí)峁┮环N多孔電極炭的制備方法，所述方法適用于上述第一方面的多孔電極炭的制備系統(tǒng)，所述方法包括：

11、控制炭化流化床的第一反應(yīng)區(qū)溫度為500?℃-950?℃，第二反應(yīng)區(qū)的溫度為200℃-400?℃；

12、將流化氣體沿流化氣體進(jìn)口送入第一反應(yīng)區(qū)，將聚合物顆粒與熱載體顆粒的混合原料通過混合原料進(jìn)口通入所述第二反應(yīng)區(qū)，在所述流化氣體的作用下，所述聚合物顆粒與熱載體顆粒在所述第一反應(yīng)區(qū)及所述第二反應(yīng)區(qū)中發(fā)生復(fù)合及炭化，形成復(fù)合炭化材料；

13、控制活化流化床的反應(yīng)區(qū)溫度為850?℃-1050?℃，所述復(fù)合炭化材料依次經(jīng)復(fù)合炭化材料出口和復(fù)合炭化材料進(jìn)口進(jìn)入所述活化流化床后，與活化氣體作用，形成活化材料；

14、將所述活化材料導(dǎo)入至盛裝有酸或水的熱載體去除反應(yīng)器中，所述活化材料中的熱載體顆粒被酸或水作用除去，最終獲得多孔電極炭產(chǎn)品；

15、其中，所述聚合物顆粒包括環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂、脲醛樹脂、不飽和樹脂和聚碳樹脂中的至少一種；所述聚合物顆粒的直徑為5?μm-16?μm；

16、所述熱載體顆粒包括氧化鎂、氯化鈉、氯化鉀、氯化鈣、氧化鈣、硅酸鈉、碳酸鈣、碳酸鈉和碳酸鎂中的至少一種；所述熱載體顆粒的直徑為60?μm-200?μm。

17、可選地，在所述流化氣體的作用下，所述聚合物顆粒與所述熱載體顆粒在所述第一反應(yīng)區(qū)及所述第二反應(yīng)區(qū)中發(fā)生復(fù)合及炭化，包括：

18、在所述流化氣體的作用下，所述聚合物顆粒在所述第二反應(yīng)區(qū)內(nèi)熔融軟化，并與所述熱載體顆粒粘結(jié)固化，形成復(fù)合顆粒；

19、所述復(fù)合顆粒在重力作用下，通過多孔分布板與溢流管，向下運(yùn)動(dòng)至所述第一反應(yīng)區(qū)，進(jìn)行炭化處理，獲得所述復(fù)合炭化材料。

20、可選地，所述聚合物顆粒與所述熱載體顆粒的質(zhì)量比為1：（1-3）。

21、可選地，所述流化氣體包括co、h2、ar、he、co2和ch4中的至少一種。

22、可選地，所述活化氣體包括co2和h2o中的至少一種。

23、第三方面，本申請(qǐng)?zhí)峁┮环N上述第二方面所述制備方法制得的多孔電極炭，所述多孔電極炭的比表面積為1600?m2/g-2800?m2/g。

24、綜上所述，本申請(qǐng)包括以下至少一種有益技術(shù)效果：

25、1、本申請(qǐng)?zhí)峁┮环N多孔電極炭的制備系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過設(shè)置炭化流化床、活化流化床和熱載體去除反應(yīng)器的依次串聯(lián)，實(shí)現(xiàn)了從復(fù)合炭化材料到多孔電極炭的連續(xù)化生產(chǎn)，該連續(xù)過程有助于保持材料的完整性和穩(wěn)定性，提高多孔電極炭的比表面積和電化學(xué)性能，其中，通過設(shè)置多孔分布板，將炭化流化床分為兩段變溫的反應(yīng)區(qū)，使得炭化過程溫度更可控，具體的第一反應(yīng)區(qū)用于復(fù)合及初步炭化，第二反應(yīng)區(qū)進(jìn)行更深入的炭化，有助于形成均勻、致密、顆粒度適中的炭化結(jié)構(gòu)。

26、2、本申請(qǐng)?zhí)峁┑亩嗫纂姌O炭的制備方法中，直接利用聚合物顆粒與熱載體顆粒形成復(fù)合顆粒，解決了小粒徑顆粒無法流態(tài)化問題，避免了大顆粒聚團(tuán)的形成，減少了大顆粒的研磨環(huán)節(jié)，省略升降溫操作步驟，使得制備設(shè)備臺(tái)數(shù)減少30?%左右，設(shè)備投資降低25?%-30?%，且小顆粒更容易炭化與活化，使得流化氣體與活化氣體的用量減少50?%，可提高單位時(shí)間的產(chǎn)能3倍-10倍；該方法將炭化與活化連接起來，有效利用炭化料的熱能，縮短制備時(shí)間80?%-90?%，降低活化能耗60?%-70?%。

技術(shù)特征：

1.一種多孔電極炭的制備系統(tǒng)，其特征在于，包括依次串聯(lián)連通的炭化流化床、活化流化床和熱載體去除反應(yīng)器；

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述多孔電極炭的制備系統(tǒng)，其特征在于，所述第一反應(yīng)區(qū)設(shè)置有第一溫度控制裝置，所述第一溫度控制裝置用于控制所述第一反應(yīng)區(qū)的工作溫度為500?℃-950?℃。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述多孔電極炭的制備系統(tǒng)，其特征在于，所述第二反應(yīng)區(qū)設(shè)置有第二溫度控制裝置，所述第二溫度控制裝置用于控制所述第二反應(yīng)區(qū)的工作溫度為200?℃-400?℃。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述多孔電極炭的制備系統(tǒng)，其特征在于，所述活化流化床設(shè)置有第三溫度控制裝置，所述第三溫度控制裝置用于控制所述活化流化床反應(yīng)區(qū)的工作溫度為850?℃-1050?℃。

5.一種多孔電極炭的制備方法，其特征在于，所述方法適用于上述權(quán)利要求1-4任一項(xiàng)所述多孔電極炭的制備系統(tǒng)，所述方法包括：

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述多孔電極炭的制備方法，其特征在于，在所述流化氣體的作用下，所述聚合物顆粒與所述熱載體顆粒在所述第一反應(yīng)區(qū)及所述第二反應(yīng)區(qū)中發(fā)生復(fù)合及炭化，包括：

7.根據(jù)權(quán)利要求5所述多孔電極炭的制備方法，其特征在于，所述聚合物顆粒與所述熱載體顆粒的質(zhì)量比為1：（1-3）。

8.根據(jù)權(quán)利要求5所述多孔電極炭的制備方法，其特征在于，所述流化氣體包括co、h2、ar、he、co2和ch4中的至少一種。

9.根據(jù)權(quán)利要求5所述多孔電極炭的制備方法，其特征在于，所述活化氣體包括co2和h2o中的至少一種。

10.一種權(quán)利要求5~9任一項(xiàng)所述多孔電極炭的制備方法制得的多孔電極炭，其特征在于，所述多孔電極炭的比表面積為1600?m2/g-2800?m2/g。

技術(shù)總結(jié)
本申請(qǐng)?zhí)峁┮环N多孔電極炭的制備系統(tǒng)及方法，該系統(tǒng)主要包括一個(gè)兩段變溫的炭化流化床與一個(gè)活化流化床。方法為小粒徑的聚合物顆粒在炭化過程中軟化，與大量熱載體顆粒粘接形成復(fù)合顆粒，從而避免自身粘接與過分長(zhǎng)大，在兩段變溫的炭化流化床中實(shí)現(xiàn)炭化可控；再將復(fù)合顆粒通入活化流化床，進(jìn)行高溫活化，去除熱載體后，即獲得多孔炭電極炭顆粒。該方法避免了聚合物顆粒在炭化時(shí)的粘連，解決了超細(xì)顆粒流化操作的不穩(wěn)定性問題，還減少了研磨與升降溫環(huán)節(jié)，具有成本低，可連續(xù)操作的優(yōu)點(diǎn)。

技術(shù)研發(fā)人員：崔超婕,騫偉中,馬鳴宇,汪劍,馬牧然
受保護(hù)的技術(shù)使用者：清華大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/6